电子论文-一种测量脉冲高电压的电容分压器

　第12卷　第1期

强激光与粒子束V o l .12,N o .1　　2000年2月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Feb .,2000　文章编号:　1001—4322(2000)01—0122—03

一种测量脉冲高电压的电容分压器

Ξ

刘金亮,　怀武龙,　霍　哲,　谭启美,　钟辉煌

(国防科学技术大学应用物理系,长沙,410073)　　摘　要:　研制了一种测量脉冲高电压的电容分压器,该分压器对方波脉冲的响应时间为

2.8n s 。已用它测量了T esla 变压器型强流电子束加速器的主开关导通的脉冲电压和T esla 变

压器的谐振特性曲线。

　　关键词:　电容分压器;　高压脉冲;　响应时间

　　中图分类号:　TM 83514　　　　文献标识码:　A

　　在强流电子加速器、高功率微波和自由电子激光等高技术领域,常常要测量脉冲高电压。这种脉冲高电压持续时间短、电压幅度大,要求测量系统时间响应快、分压比大。当要测量的脉冲电压不太高,且被测量系统的负载阻抗较小时,用电阻分压器能准确测量脉冲电压[1]。如果被测量系统的负载阻抗较大,电阻分压器有分流作用,对系统有影响。如果增大电阻分压器的分压比,分压器对方波脉冲的响应变差,会使测得的波形产生畸变。而电容分压器克服了电阻分压器的缺点,它对被测量系统影响非常小,分压比高。根据我们研制的T esla 变压器型强流电子束加速器[2]的测量要求,制做了一种结构简单,性能好,使用方便,对方波脉冲的响应时间为2.8n s 的电容分压器。

1　简单的理论分析

　　如图1所示,简单的电容分压器由高电压端电容C 0和低压电容C 1组成。从低压端电容取出脉冲电压信号用示波器测量。易得分压比Β为

Β=U i U 0=(C 0+C 1) C 0

(1)

F ig .1　C ircuit of si m p le capacitive divider 图1　简单电容分压器的电路图F ig .2　C ircuit of capacitive divider w ith integrato r

图2　带积分器的电容分压器电路图

对于图1,示波器测得的信号是示波器输入电阻R 上的电压降,其值为

U 0=(C 0d U C 0d t -C 1d U C 1d t

)R (2)因为d U C 0 d t 与d U C 1 d t 是同量级,且C 1µC 0,所以

U 0=-C 1R d U C 1d t =-C 0R d U i d t

(3)即示波器测得的信号是源信号的微分。如果要使示波器准确测得被测信号,必须对电容分压器输出的信号进行积分。带积分器的电容分压器电路简图如图2所示,R 1为积分电阻,R 2为匹配电阻,R 3为示波器Ξ国家863激光技术领域资助项目

1999年6月25日收到原稿,1999年10月14日收到修改稿。

刘金亮,男,19年9月出生,硕士,高级工程师

输入电阻。对于图2所示的电路在不考虑分布参数和被测信号的频率且R 1=R 2=R 3=R 时,电容分压器的分压比[3]为

Β=2(C 0+C 1+C 2) C 0

(4)2　电容分压器的结构

　　电容分压器的结构简图如图3所示,它主要由积分器和电容分压头两部分组成,电容分压头由高电压电容极板及高电压装置的高压头和外壳组成。积分器由积分电容、积分电阻、508匹配电阻、Q 9电缆接头以及金属屏蔽外壳组成。高压端电容C 0是由高压电容极板与高压装置高压头之间形成的电容,此电容值的大小可以近似用以下公式[4]进行理论计算

C 0=0.00885Εr A

d 　　(pF )(5)式中A 是高压电容极板的面积(mm 2);Εr 是介质的相对介电常数;d 是极板与高压头之间的距离(mm )。C 1是高压金属外壳圆筒与高电压电容极板的联结杆之间的电容,因是同轴结构,所以

C 1≈2ΠΕ0Εr (L m )ln (R a R i )　(F )(6)

式中L 、R a 分别为联接杆的长度和半径;R i 为外壳圆筒半径

。

F ig .3　Schem atic of capacitive divider’s structure

图3　电容分压器的结构示意图

　　为了使电阻分压器能探测到变化很快的高电压脉冲,必须减小各器件的寄生电感。积分电阻采用3608、1W 的金属膜电阻,14个为一组并联形成圆形辐射结构,然后两组再串联,如图3所示,积分电阻值为518。同样,对于积分电容用220p F 三只、180p F 的八只并联,使积分电容值为2.1nF 。如此设计的目的是减少寄生电感,消除测量电路的寄生振荡。

　　对于我们设计的电容分压器,根据分压器的几何尺寸及上面的公式可得:C 1=12.6p F ,C 0=0.48p F ,C 2=2.1nF 。根据(4)式可计算得分压比的理论值为Β=9200。

3　电容分压器的定标

　　为了定标电容分压器对测量脉冲的响应时间和分压比,采用图4所示的定标方法。定标系统主要是由脉冲发生器、定标装置、电容分压器、示波器等组成,其定标装置实际上是一根波阻抗为508的传输线,方波脉冲能在其中传输而不产生畸变。当脉冲发生器产生脉宽50n s 、电压168V 的方波时,用示波器测得脉冲发生器的源信号波形和经电容分压器的分压波形如图5所示,由图5可得电容分压器的上升时间t r =2.8n s ,测得的分压比Β=168V 17.2mV ≈9800,定标结果与理论计算值基本一致。　　由于电容分压器安装在不同的装置上所得C 0不同,分压比不同。可以直接在测量装置上进行定标,即在装置上加脉冲电压,然后测源脉冲电压和经电容分压器分压后的脉冲电压值,就可获得分压比。也可以采用比较法来定标,即用已定标的电阻分压器和要定标的电容分压器测量高电压装置同一位置的

321第1期刘金亮等:一种测量脉冲高电压的电容分压器

脉冲高电压信号,比较两种方法测得的波形,可确定电容分压器的分压比和响应时间

。

F ig .4　D evice fo r calibrating divider’s

attenuati on rati o and response ti m e 图4

　电容分压器定标装置图F ig .5　T he W avefo rm s of capacitive divider calibrati on

图5　电容分压器标定波形

4　应用和结论

　　在测量T esla 型强流相对论电子加速器T esla 变压器的谐振曲线和主开关的导通高压时,如果采用电阻分压器,将对L C 谐振回路产生影响,不能获得谐振电压波形,因此需要用电容分压器来测量。图6是电容分压器测得的T esla 变压器的谐振曲线和主开关的导通高电压波形,其电压幅度分别为92kV 和102kV ,谐振波形主脉冲的半高宽为8Λs ,主开关导通时间为几十纳秒,所测得的结果与理论计算基本一致。应用证明,此电容分压器结构简单,使用方便,能用来测量脉宽为十纳秒以上的高电压脉冲

。

(a )resonant vo ltage w ave 　　　　　　　　(b )vo ltage w ave w hen m ain s w itch is punctured

F ig .6　pulse 2vo ltage w aves m easured by capacitive divider

图6　电容分压器测得的脉冲电压波形.(a )谐振特性波形;(b )主开关导通波形

参考文献

1　刘金亮等.一种脉冲高电压用电阻分压器.高电压技术,1996,22(4):65～67

2　钟辉煌等.重复运行加速器技术的初步研究.国防科技大学学报,1998,20:1～5

3　K üch ler A ,D am s J ,D unz T h ,Schw ab A .Karlsruhe .Kapazitive senso ren zur m essung tvansienter elek trischer felder und

spannungen .A rch iv f ür E lek trotechnik ,1985,68:78

～874　Edson W A and O etzel G N .Capacitance vo ltage divider fo r h igh vo ltage pulse m esurem ent .R ev S ci Instrum ,1981,52(4):604～606

A COM PACT CAPAC IT IVE D IV I D ER FOR

M EASUR ING PUL SE H IGH VOL TAGE

L I U J in 2liang ,HUA IW u 2long ,HUO Zhe ,TAN Q i 2m ei ,ZHON G H u i 2huang

D ep a rt m en t of A pp lied P hy sics ,N a tiona l U n iversity of D ef ence T echnology ,Chang sha ,H unan 410073

　　ABSTRACT :　A compact capacitive divider w ith respon se ti m e of 2.8n s w h ich is u sed to m easu re h igh vo ltage pu lse ,is bu ilt .It have been app lied to m easu re h igh vo ltage pu lse and resonan t w aves of T esla 2tran sfo rm er 2type electron beam accelerato r .

　　KEY WOR D S :　capacitive divider ;h igh vo ltage pu lse ;respon se ti m e

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